坚守本心 二十载筑养科研之路潜心笃志 十数年专注遗煤开采——访太原理工大学科学技术研究院院长冯国瑞

□本刊记者 朱晓莉 / 文 于小川 / 摄影

国家杰出青年科学基金于1994年设立，旨在支持45岁以下在基础研究方面已取得突出成绩的青年学者自主选择研究方向开展创新研究，促进青年科技人才的成长，吸引海外人才，培养造就一批进入世界科技前沿的优秀学术带头人。经过20多年的发展，一大批国家杰出青年科学基金的获得者当选为两院院士，因而国家杰出青年科学基金已成为我国风向标式的高端科技人才资助项目，几乎是每一个中青年学者的奋斗目标，也是每一个科研院校所必争的人才项目。2019年煤炭行业只有2人获得国家杰出青年科学基金，冯国瑞就是其中一位。

冯国瑞，男，1976年生，山西阳城人，中共党员，教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家百千万人才工程人选、国家有突出贡献中青年专家、国务院特殊津贴专家、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国煤炭教学名师、三晋学者特聘教授、山西省中青年拔尖创新人才、山西省新兴产业领军人才、山西省“131”领军人才、山西省学术技术带头人、山西省优秀博/硕士论文指导老师、山西省研究生教育优秀导师，“特殊开采与岩层控制”山西省科技创新重点团队带头人。2002年硕士毕业于太原理工大学，2009年博士毕业于太原理工大学。2010年和2015年先后赴日本长崎大学和美国西弗吉尼亚大学做访问学者。冯国瑞教授现任太原理工大学科学技术研究院院长和山西省绿色采矿工程技术研究中心主任，兼任中国煤炭学会青年工作委员会副主任、教育部高等学校矿业类专业教学指导委员会委员，山西省矿业、安全和地质类专业教学指导委员会主任、山西省智库发展协会副会长、山西省采矿工程专家技术委员会副主任，是《煤炭学报》、《采矿与岩层控制工程学报》和《太原理工大学学报》等期刊编委。

冯国瑞教授主持了国家杰出青年科学基金项目、国家自然基金联合基金重点项目、国家优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金项目面上、青年项目、国家科技支撑计划课题、教育部新世纪优秀人才支持项目、霍英东基金项目、山西省优秀人才科技创新项目、山西省煤基重点科技攻关项目、山西省科技成果推广计划项目等20余项纵向科研项目，并承担了山西焦煤集团、同煤集团等单位委托的10余项横向攻关项目，多项科研项目被中国煤炭工业协会或山西省科技厅组织鉴定为“国际领先水平”和“国际先进水平”，并荣获中国煤炭工业协会科进步一等奖（排名第1）、中国职业安全健康协会科技进步一等奖（排名第1）、山西省技术发明一等奖（排名第1）、山西省教学成果特等奖（排名第1）等省部级科技、教学成果特等奖、一等奖6项，中国专利优秀奖（排名第1）1项，全国安全生产科技成果二等奖（排名第1）、教育部高等学校科学研究优秀成果二等奖（排名第1）、山西省科技进步二等奖（排名第1）等省部级二等科技、教学成果奖7项，发表学术论文120余篇，SCI、EI 收录90余篇，授权国家发明专利60余项，主编或参编学术著作6部。

2019年12月20日，在中国煤炭学会第八次全国会员代表大会上，记者有幸采访到了他，冯国瑞逻辑清晰，谦逊有礼，有着科技工作者特有的笃定和自信，谈到这次入选国家杰出青年科学基金，冯国瑞说：“我能获得这项基金，离不开母校太原理工大学多年来的培养，离不开康立勋教授、王家臣教授等恩师和业界诸多专家、学者多年来的指导和帮助。在此表示衷心的感谢！”

1999年冯国瑞从原山西矿业学院（现太原理工大学）采矿与土木工程系本科毕业，那时的煤炭行业正处于行业发展低谷期，许多同学选择转行就业发展。但是，冯国瑞凭着对煤炭行业的热爱、执拗的坚守和初生牛犊不怕虎的勇气，毅然选择读研继续深造，他当时就有一个小目标，要系统深入地学习采矿工程专业知识，逐渐提升自己的专业素养，加快自我成长与进步的步伐。

《当代矿工》：您主要从事岩石力学、采矿工程、矿山环境等方面的研究与教学工作，先后主持国家自然科学基金项目、国家基金重点项目等纵、横向科研项目30余项，请您为我们介绍一下您科研的方向、所研究的科研成果以及这些研究成果所具有的重大意义。

冯国瑞：我及我的团队主要从事遗煤开采岩体结构与岩层控制、遗煤开采结构充填理论与技术、遗煤开采瓦斯富集规律与抽采等方面的研究。围绕这三个研究方向，取得了一些研究成果，主要表现在：

1.在遗煤开采岩体结构与岩层控制方面，倡导推广了遗煤绿色开采的理念，科学界定了遗煤的基本概念，系统分析了我国遗煤开采的时空分布、技术特征与开采趋势，发明了上行复采、露天复采、充填复采和综放复采等遗煤开采方法，丰富了煤炭资源开采的方法体系；揭示了残采区上行开采、复合残采区遗煤开采和火成岩侵入区遗煤开采的矿压显现规律，构建了垮落式残采区上行开采控制层的“面接触块体梁半拱”结构模型、刀柱式残采区上行开采控制层的“受压弹性杆支撑的梁板”结构模型、复合残采区遗煤开采的“扰动砌体梁”、“扰动块体梁”和“控制层+承载层”结构模型、火成岩侵入区遗煤开采的“下悬上砌”和“组合简支梁-砌体梁”结构模型，揭示了失稳机理，分析了扰动载荷对岩体结构失稳的影响机理，探究了遗煤开采“支架-围岩”的耦合作用关系，发展了遗煤开采岩体结构的理论体系；提出了遗煤开采岩层运移的预测模型，构建了遗煤开采可行性定量判定的理论框架与方法体系，确定了遗煤开采的常规技术方案与工艺参数，发明了遗煤开采覆岩运移的监测技术，研发了遗煤开采强矿压消减的关键技术，形成了以构造充填为核心的遗煤开采岩层控制技术体系，提高了遗煤开采岩层控制的精准度。

该方向的研究成果有利于实现遗煤采场岩层运动的科学调控，可以指导遗煤安全高回收率开采，并能推动采场岩体结构理论的发展与进步，促进国家煤炭资源的可持续供给，引导未来煤炭资源的科学开发。

2.在遗煤开采结构充填理论与技术研究方面，发明了结构充填开采的技术方法，提出了固废资源化结构充填岩移控制协同地下空间再开发的新理念；开发了以废弃混凝土、生物质灰渣、煤矸石、粉煤灰和分选垃圾等为原料的多种固废结构充填材料，研究了各类结构充填材料的物理、力学、电学与流变性质，分析了不同压缩条件下结构充填体的破坏特征与失稳机理，揭示了结构充填岩移控制的核心机制；发明了结构充填材料料浆初凝时间和流变性能的测试装置，合作研发了结构充填液压支架，研制了垛柱式和折叠式结构充填模板，研发了输送阻力与骨料沉降的测试工艺，发明了基于内部应力变化的结构充填体稳定性监测方法，开发了柱式结构充填开采和条带结构充填开采覆岩移动变形监测的新手段，实测分析了结构充填开采覆岩的应力分布特征和移动变形规律，构建了基于电阻率法的结构充填效果监测与评价的综合技术体系。

该方向的研究成果可以破解全部充填开采材料不足和成本高等技术瓶颈，提升岩层控制的针对性和精准性，能促进绿色开采理念与理论的发展。

3.在遗煤开采瓦斯富集规律与抽采方面，科学界定了残采区瓦斯储集空间的基本概念，分别构建了垮落式残采区和刀柱式残采区瓦斯储集空间的模型，探究了残采区瓦斯储集空间的演化机制与发育特性，确定了残采区瓦斯储集空间的分布规律，实现了残采区瓦斯储集空间的特征区划；研发了残采区破碎煤岩体破裂特性和瓦斯渗透特性测试的实验系统与方法，揭示了残采区垮落带压实区含瓦斯破碎煤岩体的高渗透性，发现了垮落带破碎煤岩体连同穿层裂隙区共同构成“U”型高渗瓦斯富集区，建立了残采区瓦斯渗流的数学模型，确定并划分了地面抽采条件下残采区瓦斯的富集区和高流区；揭示了残采区瓦斯抽采影响区的分布特征，发明了残采区及其邻近煤层瓦斯地面协同抽采的技术，既有针对单一残采区瓦斯的抽采技术方法，又有针对复合残采区瓦斯的抽采技术方法，更有针对残采区及其邻近煤层内瓦斯的抽采技术方法；提出了瓦斯地面抽采的钻井井位优选方法，研发了“单井跨煤柱越流抽采”“穿残留煤柱跨层抽采”“间歇式蓄流抽采”“冷热交替抽采”和“低中压空气驱替抽采”等残采区瓦斯高效抽采技术，设计了残采区瓦斯地面高效抽采的关键工艺参数，构筑了适用于残采区瓦斯地面高效抽采的技术体系。

该方向的研究成果有利于残采区瓦斯富集区域的精准识别，可以指导残采区瓦斯地面抽采钻井井位的选择和井网的布置，实现遗煤开采的采前瓦斯高效抽采，真正实现“化害为利”“变废为宝”。

《当代矿工》：多年的科研工作，您遇到的最大困难是什么？在克服这些困难的过程中有哪些事是您最难忘的？

冯国瑞：在这么多年的科研工作中，确实遇到过不少困难。2005年开始，我攻关西山煤电集团委托项目《白家庄煤矿残采区上覆蹬空6号煤层开采技术研究》这个现场难题。在开展项目研究的过程中，我牵头负责了下井调研、钻巷打眼、布置探头、监测数据、整理分析、研究提升等工作，连续70余天与矿上的工程技术人员深入工作面“摸爬滚打”于第一线。在此期间，发现“白家庄煤矿蹬空6号煤层开采可行性判别准确性”很差的技术难题。回校之后，我翻阅学习了不少国内外文献，发现已有的“三带”判别法、比值判别法、围岩平衡法和数理统计法等判别方法的经验成分偏重，准确程度不高甚至和实际相差很大。我们冥思苦想反复研讨最后确定应该从岩层结构的角度来探索蹬空煤层上行开采可行性的定量判定方法。为此，历经多次的试验分析与模拟研究，我们提出了垮落式残采区上行开采层间岩层“面接触块体梁半拱”岩体结构和刀柱式残采区上行开采层间岩层“弹性直杆支撑的梁（板）”岩体结构模型，通过理论分析与求解，研发了基于岩体结构的残采区上行开采可行性定量判定的理论与方法，解决了白家庄煤矿蹬空6号煤层开采可行性判别精度不高的技术难题，也保障了蹬空遗留煤炭资源的安全高效回收。

在此过程中，我最难忘团队中我的诸位老师和前辈们遇到困难的沉着冷静与分析问题的直中要害，始终能从现场技术问题中抓住科学问题的本质，并不断点拨、指导和鼓励我攻坚克难，最终克服了种种困难，取得了较为良好的研究成果；同时难忘的还有团队不怕苦累冲锋煤炭一线和团结协作不计个人得失的煤炭精神。最终经过我们大家多年共同攻关该项目取得突破，被鉴定为“国际领先水平”。

《当代矿工》：您现在还兼任山西省绿色采矿工程技术研究中心主任，这个研究中心是什么时间组建的？主要任务是什么？已经取得了哪些成果？

冯国瑞：山西省绿色采矿工程技术研究中心于2006年由我的恩师康立勋教授牵头申报，并经山西省科技厅批准组建。2014年，我开始接任中心主任。

山西作为全国的煤炭生产大省，多年助力我国经济社会发展，但同时也面临地表塌陷、水资源破坏、瓦斯灾害隐患和煤矸石堆积等诸多突出问题。瞄准山西省煤炭工业发展的战略需求，我中心将“提升山西省煤炭资源的绿色开采水平”作为主要科研攻关任务，不断深入研发关键技术提高煤炭资源回收率，推进煤炭绿色开采和煤矿智能化改造，降损减沉，推进“绿”“减”“优”，助力煤炭开采利用方式实现变革，构筑山西省煤炭工业的战略性竞争新优势。

近年来，围绕遗留资源开采岩层控制、遗煤结构充填开采、遗煤资源与瓦斯同采、遗煤资源水害防控、遗煤资源地质灾害防治和遗煤开采安全行为管理等研究方向，开展了一系列的理论、技术和应用研究。中心承担国家杰出青年科学基金项目、国家联合基金重点项目、国家优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金项目面上项目、国家科技支撑计划课题、教育部新世纪优秀人才支持项目、霍英东基金项目、山西省优秀人才科技创新项目、山西省煤基重点科技攻关项目、山西省科技成果推广计划项目等50余项纵向科研项目，并承担了山西焦煤集团、同煤集团、晋煤集团、阳煤集团和潞安集团等单位的100余项横向攻关项目，10余项科技成果被组织鉴定为“国际领先水平”或“国际先进水平”，并荣获中国煤炭工业科学技术一等奖、中国职业安全健康协会科技进步一等奖、中国专利优秀奖、山西省技术发明一等奖、山西省教学成果特等奖、山西省教学成果一等奖、国家安全生产科技成果二等奖、教育部科学研究优秀成果二等奖、中国煤炭工业科学技术二等奖、山西省科技进步二等奖、山西省技术发明二等奖、霍英东青年教师奖、孙越崎青年科技奖等省部级二等以上科研教学成果奖30余项。发表SCI、EI论文等高质量论文200余篇，授权发明专利100余项，出版专著、教材20余部。

《当代矿工》：您今后工作的重点是什么？

冯国瑞：在今后研究中，我及我的团队将在前期研究工作的基础上，针对遗煤开采表现出明显的多源致灾效应，聚焦遗煤开采多源灾害的孕育机理与科学防控，延伸拓展并进行“遗留难采煤炭资源开采与灾害防控”的创新性研究。具体地，将开展以下几个方面的研究工作：

1.遗煤开采围岩结构失稳致灾机理与防控

遗煤开采时，围岩结构失稳致灾效应显现，极易引发冒顶、片帮、底鼓、压架和冲击地压等灾害。探究不同结构条件、应力环境和介质属性下围岩的失稳致灾机理是遗煤开采岩层运移精准防控的根本前提。该方向拟系统分析残采区岩体失稳的力学行为与响应特征，揭示遗煤开采围岩结构失稳致灾的规律、条件与机理，分析围岩结构失稳分源协同防控的原理，并提出相应的技术方法。

2.遗煤开采结构充填承载机理与沉陷防控

结构充填是遗煤开采岩移控制的关键技术之一。探究结构充填的耦合承载机理是遗煤开采沉陷防控的核心基础。该方向拟系统分析残采区结构充填体的破坏特征与失稳机理，揭示结构充填承载体系的岩控机制，调控结构充填体系的承载能力，设计结构充填的合理技术参数与指标，开发遗煤开采结构充填沉陷防控的关键技术。

3.遗煤开采瓦斯运移富集规律与灾害防控

残采区瓦斯赋存范围广，局部区域分布浓度很高，严重制约了遗煤安全高效开采。遗煤开采必须对瓦斯进行预先处理，而残采区不同破损程度煤岩体的瓦斯渗透特性存在明显的差异。揭示地面钻井抽采条件下瓦斯的运移富集规律是遗煤开采瓦斯灾害防控的关键基础。该方向拟探究多重采动应力下残采区破损煤岩体的多孔结构演化及应力-渗流耦合机理，揭示地面钻井抽采条件下残采区瓦斯的富集

规律，优化残采区瓦斯地面高效抽采的技术参数。4.遗煤开采积水孕灾机理与防控技术基础

残采区煤岩体节理裂隙发育，为瞬时性积水水害的发生提供了通道，严重地威胁遗煤开采的安全进行。探究残采区煤岩体突水通道的孕育机制是遗煤开采积水水害防控的核心基础。该方向拟分析水吸附-渗流-化学作用对残采区煤岩微观结构的损伤特性和力学参数的劣化规律，揭示残采区煤岩体突水通道发育的影响机制，探究残采区积水水害的协同防控技术方法。

《当代矿工》：您既是一名青年科技工作者，又是太原理工大学科学技术研究院院长，承担着教书育人的使命。请问您在人才培养方面做了哪些工作，对煤炭行业青年科技人才的培养又有哪些期待和建议？

冯国瑞：人才培养是科研团队可持续发展的必要途径。作为团队负责人，我义不容辞积极培育团队年轻人，让更多的煤炭青年人才成长、发展与进步，为他们提供成长成才的机会与平台。

近年来，团队通过“引培并重、科教融合”等方式，塑造了一支结构合理、专业交叉、业务精湛的高水平师资队伍。团队成员2人被培育为国务院特殊津贴专家、1人荣获全国煤炭青年科技奖、1人入选中国科协青年托举工程、2人被培育为“三晋英才”拔尖骨干人才、9人被培育为“三晋英才”青年优秀人才、3人被培育为山西省优秀青年学术带头人、4人被培育为山西省131领军人才、2人被培育为三晋青年学者。为煤炭行业培养教授2名、副教授7名，博士6名，硕士20余名，其中2人荣获山西省优秀博士、硕士论文奖。目前正在培养博士后5名，博士6名，硕士12名。

冯国瑞告诉记者，他特别感谢煤炭行业，是煤炭行业培养了他严谨认真、精益求精的治学态度，培养了他敢于担当、勤于奉献的优秀品格。冯国瑞说他下一个奋斗目标是：“坚守本心，逐渐发展遗煤资源开采理论与技术，培育相关领域更多青年科技人才，做好“人梯”，传好行业科技的“接力棒”，为煤炭行业的科技进步与发展作出自己应有的贡献。”